車(chē)用三效催化劑臺(tái)架試驗(yàn)比對(duì)研究

業(yè)紅玲

目前，我國(guó)汽車(chē)保有量中有80%是汽油車(chē)［1］，汽油車(chē)尾氣對(duì)大氣的污染引起人們普遍關(guān)注?？刂破臀廴疚锱欧诺淖钣行Ъ夹g(shù)是閉環(huán)電控燃油噴射系統(tǒng)結(jié)合三效催化劑。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外廠(chǎng)家、科研機(jī)構(gòu)的多年研究，開(kāi)發(fā)一種高活性、高轉(zhuǎn)化效率的催化劑并不難，難的是同時(shí)具有高耐久性。因此，耐久性評(píng)價(jià)體系是衡量催化劑是否具有實(shí)用價(jià)值的一個(gè)至關(guān)重要標(biāo)志。通常催化器耐久性評(píng)價(jià)是在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中采用斷油循環(huán)或ARL－102循環(huán)進(jìn)行，但發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)存在一些不足如空燃比穩(wěn)定運(yùn)行的范圍窄，不易控制催化劑床層溫度等，且只有一種考核方法是不能滿(mǎn)足催化劑發(fā)展的需要。由美國(guó)西南研究院研發(fā)的R－FOCAS燃燒器系統(tǒng)是另外一種臺(tái)架試驗(yàn)，目前，國(guó)內(nèi)只有天津索克汽車(chē)試驗(yàn)有限公司利用R－FOCAS系統(tǒng)對(duì)催化器老化做了試驗(yàn)研究［2］。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和R－FOCAS臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)分析不同老化方法對(duì)催化劑劣化強(qiáng)度的影響，考慮兩者的相關(guān)性。

1 催化劑失活機(jī)理

現(xiàn)代先進(jìn)的催化器在達(dá)到工作溫度≥300℃，排氣為理論空燃比條件下對(duì)CO、HC、NOX三種有害排放物可達(dá)到近100%的轉(zhuǎn)化率。從催化劑發(fā)展的角度來(lái)看，盡管催化劑已經(jīng)得到發(fā)展，但受到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀況、使用的燃油與潤(rùn)滑油品質(zhì)、汽車(chē)運(yùn)行工況以及安裝位置等諸多因素的影響，催化劑在常規(guī)運(yùn)行的高溫工況下會(huì)造成鉑族金屬和涂層的燒結(jié)，從而降低催化劑的活性。催化劑快速老化試驗(yàn)方法正是基于這種高溫失活機(jī)理建立起來(lái)的。

2 實(shí)驗(yàn)方法及試驗(yàn)參數(shù)控制

2.1 試驗(yàn)裝置及條件

在R－FOCAS臺(tái)架和排量為2.0L的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上同時(shí)老化四只含有少量鉑族金屬（PGM）的某國(guó)產(chǎn)催化器，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架老化的催化器記為1＃、2＃件，R－FOCAS臺(tái)架老化的催化器記為3＃、4＃件。試驗(yàn)用油為93＃車(chē)用汽油，含鉛≤0.005mg／L，硫≤0.015mg／L。試驗(yàn)條件分別采用基于標(biāo)準(zhǔn)HJ／T 331－2006的斷油循環(huán)如表1所示［3］和基于標(biāo)準(zhǔn)EPARAT－A的ARL－102循環(huán)如表2所示對(duì)兩套催化器進(jìn)行50h的快速老化試驗(yàn)，并且對(duì)老化后的催化器進(jìn)行性能測(cè)試。

表1 斷油循環(huán)試驗(yàn)規(guī)范

表2 ARL－102循環(huán)試驗(yàn)規(guī)范

2.2 試驗(yàn)參數(shù)控制

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架及R－FOCAS臺(tái)架上，催化器的傳感器布置以及數(shù)據(jù)采集如圖1所示，其中Burner phi傳感器只用在R－FOCAS臺(tái)架上。

圖1 催化器傳感器布置圖

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架參數(shù)控制

樣件1＃與2＃在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上老化，每1小時(shí)采樣1次，采樣頻率為10Hz，老化時(shí)溫度分布和空燃比分布如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架老化時(shí)溫度、Φa分布

2.2.2 R－FOCAS臺(tái)架參數(shù)控制

樣件3＃與4＃在R－FOCAS臺(tái)架上老化，連續(xù)采樣，采樣頻率為1Hz，老化時(shí)溫度分布和空燃比分布如圖3所示。

圖3 R－FOCAS老化時(shí)溫度、Φa分布

3 不同老化方法劣化強(qiáng)度比對(duì)

3.1 起燃溫度特性

所謂起燃溫度，是指起燃溫度特性曲線(xiàn)中催化轉(zhuǎn)化器凈化某種廢氣（如CO、HC或NOx）程度達(dá)50%時(shí)對(duì)應(yīng)的催化器入口溫度值，用T50表示。它是評(píng)價(jià)催化劑劣化強(qiáng)度的指標(biāo)之一。在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上利用斷油循環(huán)老化1＃、2＃件所得到的起燃溫度特性曲線(xiàn)圖如圖4所示，從圖中可以看出1＃、2＃件老化50h后所對(duì)應(yīng)起燃溫度在320℃至340℃范圍內(nèi)；而在R－FOCAS臺(tái)架上利用R－102循環(huán)老化3＃、4＃件所得到的起燃溫度特性曲線(xiàn)圖如圖5所示，從圖中可以看出3＃、4＃件老化50h后所對(duì)應(yīng)起燃溫度在360℃至380℃范圍內(nèi)。

圖4 1＃、2＃老化后起燃溫度性能

圖5 3＃、4＃老化后起燃溫度性能

3.2 空燃比特性

所謂空燃比特性，是指催化器轉(zhuǎn)化效率隨空燃比α或過(guò)量空氣系數(shù)Φa變化而變化。它是評(píng)價(jià)催化劑劣化強(qiáng)度的又一指標(biāo)。空燃比特性的60%和80%窗口寬度能綜合反映催化劑的NOx－CO交點(diǎn)轉(zhuǎn)化率高低和高效轉(zhuǎn)化區(qū)域大?。?］。從下圖可以看出，1＃、2＃件老化50h后空燃比窗口寬度明顯寬于3＃、4＃件。

綜上試驗(yàn)結(jié)果表明：R－FOCAS臺(tái)架的ARL－102方法催化劑起燃溫度、空燃比窗口寬度均大于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的斷油方法，說(shuō)明前者劣化程度更強(qiáng)，也證明了在R－FOCAS臺(tái)架上利用ARL－102方法老化催化劑是一種高效率、低成本、能在極高溫度運(yùn)行的評(píng)價(jià)催化劑壽命的手段。

圖6 1＃、2＃老化后空燃比性能

圖7 3＃、4＃老化后空燃比性能

4 結(jié)論

（1）R－FOCAS系統(tǒng)是一種模擬發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架催化劑熱老化的方法，通過(guò)試驗(yàn)表明，可在RFOCAS系統(tǒng)上采用老化循環(huán)進(jìn)行催化劑熱老化，低成本、高效率。

（2）ARL－102方法比斷油方法的劣化強(qiáng)度更強(qiáng)、分辨率更高，因此在R－FOCAS臺(tái)架上采用ARL－102方法老化催化劑是一種新的催化劑耐久性評(píng)價(jià)方法，可應(yīng)用在我國(guó)三效催化劑性能考核中。

（3）本文從空燃比窗口寬度、起燃溫度兩個(gè)催化劑劣化強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比了發(fā)動(dòng)機(jī)斷油方法和RFOCAS系統(tǒng)ARL－102方法催化劑性能的變化。

（4）本文對(duì)催化劑老化失效進(jìn)行分析，對(duì)于改進(jìn)催化器、改善催化劑熱耐久性具有重要意義，使催化器不僅可以在高排溫條件下使用，而且可以在滿(mǎn)足一定里程耐久性要求的前提下維持高污染物轉(zhuǎn)化率。

［1］ Fuquan（Frank）zhao，著，帥石金譯.汽油車(chē)近零排放技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］ 郝寶玉，侯獻(xiàn)軍，彭輔明，等.車(chē)用三元催化轉(zhuǎn)化器快速老化試驗(yàn)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（5）：772－775.

［3］ 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布.《HJ／T331－2006環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品要求汽油車(chē)用催化轉(zhuǎn)化器》［S］.2006：11－22.

［4］ 寧海洋，肖建華，王建昕.三效催化劑快速老化方法與劣化強(qiáng)度的相關(guān)性研究［J］.汽車(chē)工程，2002，24（4）：336－338.